Capteurs, actionneurs et interfaces homme-machine

Du monde physique aux données

Un capteur mesure une grandeur : température, luminosité, distance ou pression, par exemple. Il fournit un signal qui doit être interprété et, si nécessaire, converti en une valeur numérique. Le programme ne manipule pas directement « la chaleur » : il reçoit une donnée accompagnée d’une unité, d’une précision et parfois d’une information de validité.

Un actionneur agit sur le monde physique : moteur, ventilateur, voyant ou dispositif de commande. Certains équipements réunissent plusieurs rôles. Un écran tactile affiche des informations et détecte des actions. Il est donc plus précis de classer une fonction de l’équipement que d’attribuer un rôle unique à tout objet.

Une valeur numérique doit être interprétée avec son contexte. La valeur 280 pourrait représenter 280 degrés, 28,0 degrés avec un facteur dix ou un code brut à convertir. Avant la comparaison, il faut donc connaître le format de la mesure. Une conversion correcte relie le signal à une grandeur, tandis qu’une règle de commande relie cette grandeur à une action : ce sont deux étapes distinctes.

Construire la chaîne acquisition, traitement, action

Dans notre serre, le capteur fournit une température en degrés Celsius. Le programme compare cette valeur à une consigne. Le ventilateur reçoit un ordre de marche ou d’arrêt. L’interface permet à une personne de lire la mesure, de connaître l’état commandé et d’ajuster la consigne. Elle doit rendre visibles les conséquences d’une action.

Le système peut répéter ce cycle à intervalles réguliers. La fréquence de mesure dépend du phénomène observé : une température de serre évolue autrement qu’une position de robot. Mesurer plus vite n’améliore pas automatiquement la pertinence d’une décision fondée sur une donnée imprécise.

Un seuil doit être défini sans ambiguïté

Le cahier des charges peut imposer : « allumer si la température est supérieure ou égale à 28 °C ». À exactement 28 °C, la condition est vraie. Remplacer >= par > change le comportement. Il faut également définir ce qui se passe lorsque la mesure manque ou sort du domaine attendu. Aucune action n’est universellement sûre : elle dépend de l’objet réel.

Pour notre simulation, la mesure est toujours supposée valide. Nous comparons d’abord une commande à seuil unique : marche lorsque la température atteint la consigne, arrêt en dessous. Les exercices demandent de vérifier le seuil lui-même, ainsi que des valeurs de part et d’autre.

Un test complet précise les entrées et le résultat attendu. Avec le seuil unique, on peut écrire une table pour 27,5, 28 et 28,5. Avec deux seuils, il faut aussi faire varier l’état antérieur : tester 27 une seule fois ne permet pas de vérifier la conservation des deux états possibles. Une même valeur peut ainsi nécessiter deux cas de test.

Éviter les commutations répétées

Avec une consigne de 28 °C, une suite 27,9 ; 28,1 ; 27,9 ; 28,1 peut allumer et arrêter le ventilateur continuellement. Une solution illustrative consiste à utiliser deux seuils : allumer à 28 °C et arrêter à 26 °C. Entre 26 et 28, on conserve l’état précédent. Cette mémoire s’appelle une hystérésis ; elle est un approfondissement utile pour concevoir une commande.

Le résultat dépend alors de la température et de l’état antérieur. À 27 °C, un ventilateur déjà allumé reste allumé et un ventilateur arrêté reste arrêté. L’atelier permet de tester cette différence. Son modèle ne simule ni le refroidissement réel, ni le câblage électrique.

def commande(temperature, marche):
    if temperature >= 28:
        return True
    if temperature <= 26:
        return False
    return marche

Suivre une série de mesures et compter les changements

Prenons la série 25, 27, 28, 27, 26, 27 °C, en partant de l’arrêt. Avec mise en marche à 28 et arrêt à 26, les états successifs sont arrêt, arrêt, marche, marche, arrêt, arrêt. La mesure de 27 après 28 ne provoque pas d’arrêt, car elle se trouve dans la zone où l’état est conservé. La seconde mesure de 27, après 26, ne provoque pas de marche non plus.

On compte deux commutations : arrêt vers marche à 28, puis marche vers arrêt à 26. Le tableau de trace doit donc avoir une colonne « état avant » et une colonne « état après ». Ne recalculez pas chaque ligne comme si le ventilateur était toujours initialement arrêté. Pour comparer avec un seuil unique de 28, la même série donne arrêt, arrêt, marche, arrêt, arrêt, arrêt : l’arrêt arrive plus tôt, à 27.

Concevoir une interface qui explique sa décision

Une interface utile affiche la température avec son unité, les seuils configurés et l’état commandé. Dans la zone intermédiaire, elle indique que l’état précédent est conservé. Une simple couleur sans texte ne permet pas toujours de savoir si l’on voit une mesure, une consigne ou un ordre. La personne doit pouvoir relier les valeurs à la règle appliquée.

Supposons qu’un capteur signale une mesure invalide. Comparer directement cette information à 28 n’a pas de sens : le cahier des charges doit définir une branche spécifique. Dans un exercice, on peut décider d’afficher « mesure indisponible » et de conserver la dernière commande, mais ce choix doit être annoncé et évalué selon l’objet. Le simulateur suppose des mesures valides et ne valide pas la sécurité d’un équipement réel. Sa fonction est de rendre visibles les seuils, les états et les frontières de la règle logique.

De la compréhension à l’autonomie

À vous de résoudre

Cherchez d’abord par vous-même. Vérifiez les résultats demandés, utilisez les indices si nécessaire, puis comparez votre méthode à la correction.

Les erreurs qui méritent un détour

Confondre donnée mesurée et décision.

Le capteur produit une mesure. Le programme applique une règle qui peut dépendre de plusieurs données.

Oublier de tester exactement les seuils.

Les différences entre supérieur et supérieur ou égal apparaissent précisément aux frontières.

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